PL232786B1 - Sposób i układ zabezpieczenia trójfazowych urządzeń elektrycznych symetrycznie obciążonych przed skutkami zwarć pojedynczych zwojów uzwojeń - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób i układ zabezpieczenia trójfazowych urządzeń elektrycznych symetrycznie obciążonych przed skutkami zwarć pojedynczych zwojów uzwojeń, mające zastosowanie w szczególności do ochrony silników trójfazowych zasilanych z przekształtników półprzewodnikowych np. z falowników oraz transformatorów.

Jedną z głównych przyczyn awarii urządzeń elektrycznych, w szczególności silników elektrycznych jest uszkodzenie uzwojeń wskutek obniżenia się wartości izolacji uzwojeń i wystąpienia zwarcia zwojowego. Obecnie silniki elektryczne wyposaża się w zabezpieczenia zwarciowe i przeciążeniowe oparte na modelu cieplnym i pomiarze wartości skutecznej prądu fazowego. Tak skonstruowane zabezpieczenie nie chroni uzwojeń stojana w przypadku zwarć pojedynczych zwojów cewek. Jeżeli takie zwarcie nastąpi w czasie pracy obciążonego silnika to wartość prądu fazowego nie przekracza wartości nominalnej i podstawowe zabezpieczenie nie wyłączy silnika w stanie pracy awaryjnej, zaś w zwartym zwoju uzwojenia, popłynie prąd o wartości przekraczającej kilkunastokrotnie wartość nominalną. Silnik ulegnie uszkodzeniu wskutek gwałtownego wzrostu temperatury zwartego fragmentu uzwojenia. Z opisu zgłoszenia patentowego nr US5751132A znany jest sposób zabezpieczenia silników trójfazowych przed nieprawidłową wartością napięcia zasilania, podłączeniem niewłaściwej kolejności faz i obniżeniem się stanu izolacji silnika. W rozwiązaniu tym dokonuje się pomiaru wartości napięcia zasilania, kolejności faz i kontroli wartości izolacji silnika. Układ kontroli napięcia ujęty w zgłoszeniu patentowym nr US5751132A stanowi znane i stosowane zabezpieczenie silników elektrycznych zasilanych z sieci trójfazowej w przypadkach zaniku napięcia, w co najmniej jednej fazie lub asymetrii napięć między fazami oraz prawidłowej kolejności podłączenia faz. Układ zasilany jest trójfazowo, napięciem trzech faz podłączonych do wejścia. Do układu pomiarowego przekazywane są sygnały napięcia sieci zasilającej, zawierające informację o wartości napięcia zasilania i kierunku (zgodności) kolejności przebiegów faz napięcia zasilania układu trójfazowego. Wartości napięć poszczególnych faz w komparatorze porównywane są z wcześniej ustaloną wartością minimalną i maksymalną. Zabezpieczenie to kontroluje parametry napięć sieci zasilającej (pomiar napięć międzyfazowych w układzie trójfazowym).

Celem wynalazku jest opracowanie prostego w działaniu sposobu i układu zabezpieczenia trójfazowych urządzeń elektrycznych symetrycznie obciążonych, zapewniającego skuteczność zabezpieczenia także przy wystąpieniu zwarć pojedynczych zwojów uzwojeń, jak również przystosowanego do zrealizowania za pomocą mikrokontrolera. W sposobie zabezpieczenia trójfazowych urządzeń elektrycznych symetrycznie obciążonych przed skutkami zwarć pojedynczych zwojów uzwojeń według wynalazku, dokonuje się analizy sygnałów z przetworników pomiarowych umieszczonych w poszczególnych fazach toru prądowego.

Sposób charakteryzuje się tym, że podczas pracy urządzenia sygnały z przetworników pomiarowych każdej fazy przetwarza się na postać cyfrową i dokonuje się pomiarów początkowych faz sygnałów. Na ich podstawie określa się wartości kąta przesunięcia fazowego między sąsiednimi sygnałami każdej pary, a następnie dokonuje się porównania wartości kąta przesunięcia fazowego każdej pary sygnałów prądowych z sygnałem wzorcowym o zadanej wartości Z, ustalonej wcześniej dla sprawnego urządzenia w rzeczywistych warunkach zasilania. Następnie zlicza się następujące po sobie w kolejnych okresach przebiegu prądu przekroczenia zadanej wartości Z. W przypadku kiedy w kolejnym okresie nie wystąpiło przekroczenie to zliczanie rozpoczyna się od zera, natomiast kiedy przekroczenia zadanej wartości Z występują w następujących po sobie co najmniej K kolejnych okresach przebiegu prądu wyłącza się urządzenie.

Korzystne jest, kiedy sygnały z przetworników pomiarowych każdej fazy, przed przetworzeniem na postać cyfrową ogranicza się w paśmie przepustowym o wartości od zera do wartości granicznej niższej od częstotliwości zakłóceń.

Celowe jest również, kiedy wartość zadaną Z sygnału wzorcowego koryguje się podczas pracy urządzenia w zależności od zmiennej w czasie wartości częstotliwości zasilania urządzenia, dokonując pomiarów częstotliwości. Równie pożądane jest, kiedy ilość K przekroczeń zadanej wartości Z w następujących po sobie kolejnych okresach przebiegu prądu jest mniejsza lub równa dwudziestu przekroczeniom.

Dalsze korzyści uzyskuje się, kiedy jako przetworniki pomiarowe w poszczególnych fazach toru prądowego stosuje się przetworniki prąd - napięcie. W układzie do zabezpieczenia trójfazowych urządzeń elektrycznych symetrycznie obciążonych przed skutkami zwarć pojedynczych zwojów uzwojeń według wynalazku, dokonuje się analizy sygnałów z przetworników pomiarowych umieszczonych w poszczególnych fazach toru prądowego.

Układ charakteryzuje się tym, że każdy z pomiarowych przetworników połączony jest z odpowiadającym mu analogowo-cyfrowym przetwornikiem. Wyjście analogowo-cyfrowego przetwornika pierwszej fazy jest połączone z wejściami pomiarowych bloków sygnałów pomiarowych pierwszej i drugiej fazy oraz trzeciej i pierwszej fazy. Wyjście analogowo-cyfrowego przetwornika drugiej fazy jest połączone z wejściami pomiarowych bloków sygnałów pomiarowych pierwszej i drugiej fazy oraz drugiej i trzeciej fazy, a wyjście analogowo-cyfrowego przetwornika trzeciej fazy jest połączone z wejściami pomiarowych bloków sygnałów pomiarowych drugiej i trzeciej fazy oraz trzeciej i pierwszej fazy. Wyjścia każdego z pomiarowych bloków są połączone z odpowiadającymi im wejściami cyfrowych komparatorów skalowanych sygnałem wzorcowym o zadanej wartości Z. Ponadto wejścia cyfrowych komparatorów są połączone z pamięcią sygnału wzorcowego wartości zadanej, a wyjścia cyfrowych komparatorów są połączone z wejściem licznika przekroczeń, którego wyjście jest połączone z przekaźnikiem inicjującym wyłączenie urządzenia.

Celowe jest, kiedy każdy z pomiarowych przetworników, połączony jest z odpowiadającym mu analogowo-cyfrowym przetwornikiem poprzez dolnoprzepustowy filtr. W preferowanym wykonaniu do wejścia pamięci sygnału wzorcowego wartości zadanej przyłączony jest pomiarowy blok częstotliwości zasilającej urządzenie.

Dalsze korzyści uzyskuje się, kiedy jako przetworniki pomiarowe układ ma przetworniki prąd -napięcie.

Sposób i układ zabezpieczenia trójfazowych urządzeń elektrycznych symetrycznie obciążonych przed skutkami zwarć pojedynczych zwojów uzwojeń według wynalazku zapewniają skuteczność zabezpieczenia urządzeń elektrycznych także w przypadku wystąpienia zwarć jedynie pojedynczych zwojów uzwojeń. Ich zastosowanie ogranicza zagrożenie pożarowe mogąca powstać wskutek niekontrolowanego wzrostu temperatury uzwojeń oraz w istotny sposób minimalizuje zakres uszkodzenia i związane z tym koszty naprawy zabezpieczonego urządzenia. Po wykryciu zwarcia zwojowego zakres remontu ogranicza się do naprawy uszkodzonej cewki, a nie przezwojenia uzwojeń. Dodatkową zaletą jest możliwość zrealizowania sposobu według wynalazku za pomocą mikrokontrolera.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku przedstawiającym schemat blokowy układu.

Układ według wynalazku, ma instalowane w każdej z zasilających elektryczne urządzenie UE faz L1, L2, L3 pomiarowe przetworniki PP1, PP2, PP3, w postaci przetworników prąd - napięcie, połączone poprzez odpowiadający każdemu z nich dolnoprzepustowy filtr F1, F2, F3 z odpowiednim analogowo-cyfrowym przetwornikiem PAC1, PAC2, PAC3. Wyjście analogowo-cyfrowego przetwornika PAC1 pierwszej fazy jest połączone z wejściem pomiarowego bloku BPL1L2 sygnałów pomiarowych pierwszej i drugiej fazy oraz z wejściem pomiarowego bloku BPL3L1 sygnałów pomiarowych trzeciej i pierwszej fazy. Wyjście analogowo-cyfrowego przetwornika PAC2 drugiej fazy jest połączone z wejściem pomiarowego bloku BPL1L2 sygnałów pomiarowych pierwszej i drugiej fazy oraz z wejściem pomiarowego bloku BPL2L3 sygnałów pomiarowych drugiej i trzeciej fazy. Wyjście analogowo-cyfrowego przetwornika PAC3 trzeciej fazy jest połączone z wejściem pomiarowego bloku BPL2L3 sygnałów pomiarowych drugiej i trzeciej fazy oraz z wejściem pomiarowego bloku BPL3L1 sygnałów pomiarowych trzeciej i pierwszej fazy. Wyjścia każdego z bloków BPL1L2, BPL2L3, BPL3L1 są połączone z odpowiadającymi im wejściami cyfrowych komparatorów KZ1, KZ2, KZ3 skalowanych sygnałem wzorcowym o zadanej wartości Z. Wejścia komparatorów KZ1, KZ2, KZ3 są połączone z pamięcią PZ sygnału wzorcowego wartości zadanej, a ich wyjścia są połączone z wejściem licznika przekroczeń LP. Wyjście licznika LP jest połączone z przekaźnikiem WU inicjującym wyłączenie urządzenia. W sposobie według wynalazku, realizowanym za pomocą układu przedstawionego na rysunku sygnały każdego z pomiarowych przetworników PP1, PP2, PP3, w postaci przetworników prąd - napięcie, zainstalowanych w każdej z zasilających urządzenie UE faz L1, L2, L3 sieci trójfazowej, ogranicza się w filtrach F1, F2, F3 o paśmie przepustowym o wartości od zera do wartości granicznej niższej od częstotliwości zakłóceń i kieruje się dalej do analogowo-cyfrowych przetworników PAC1, PAC2, PAC3. Następnie sygnał z przetwornika PAC1 przesyła się do pomiarowego bloku BPL1L2 oraz do pomiarowego bloku BPL3L1, sygnał z przetwornika PAC2 przesyła się do pomiarowego bloku BPL1L2 oraz do pomiarowego bloku BPL2L3, a sygnał z przetwornika PAC3 przesyła się do pomiarowego bloku BPL2L3 oraz do pomiarowego bloku BPL3L1. W każdym z bloków BPL1L2, BPL2L3 i BPL3L1 dokonuje się pomiarów początkowych faz sygnałów i na ich podstawie określa się wartości kąta przesunięcia fazowego między sąsiednimi sygnałami każdej pary sygnałów, po czym w komparatorach KZ1, KZ2, KZ3 dokonuje się porównania wartości kąta przesunięcia fazowego każdej pary sygnałów prądowych z zapisanym w pamięci PZ sygnałem wzorcowym o zadanej wartości Z ustalonej wcześniej dla sprawnego urządzenia w rzeczywistych warunkach zasilania. Następnie zlicza się następujące po sobie w kolejnych okresach przebiegu prądu przekroczenia zadanej wartości Z w liczniku LP. Jeżeli w kolejnym okresie nie wystąpiło przekroczenie to zliczanie rozpoczyna się od zera, natomiast kiedy przekroczenia zadanej wartości Z występują w następujących po sobie co najmniej dwudziestu kolejnych okresach przebiegu prądu wyłącza się urządzenie, co zostaje zainicjowane przekaźnikiem WU. W innym wariancie sposobu według wynalazku, w komparatorach KZ1, KZ2, KZ3 dokonuje się porównania wartości kąta przesunięcia fazowego każdej pary sygnałów prądowych z sygnałem wzorcowym o zadanej wartości Z korygowanej podczas pracy urządzenia w zależności od zmiennej w czasie wartości częstotliwości zasilania urządzenia. Korekty zadanej wartości Z dokonuje się poprzez pomiar częstotliwości zasilającej urządzenie w pomiarowym bloku BPC i wprowadzenie zmian wartości zadanej Z sygnału wzorcowego do pamięci PZ. Następnie zlicza się następujące po sobie w kolejnych okresach przebiegu prądu przekroczenia skorygowanej wartości Z w liczniku LP. Jeżeli w kolejnym okresie nie wystąpiło przekroczenie to zliczanie rozpoczyna się od zera, natomiast kiedy przekroczenia skorygowanej wartości Z występują w następujących po sobie co najmniej dwudziestu kolejnych okresach przebiegu prądu wyłącza się urządzenie, co zostaje zainicjowanie przekaźnikiem WU.

Realizacja sposobu według wynalazku za pomocą układu, którego schemat blokowy przedstawiono na rysunku nie ogranicza jego zastosowania przy pomocy innych układów, np. jest również możliwa za pomocą mikrokontrolera.

Claims (9)

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób zabezpieczenia trójfazowych urządzeń elektrycznych, trójfazowych urządzeń elektrycznych symetrycznie obciążonych przed skutkami zwarć pojedynczych zwojów uzwojeń, na podstawie analizy sygnałów z przetworników pomiarowych umieszczonych w poszczególnych fazach toru prądowego, znamienny tym, że podczas pracy urządzenia sygnały z przetworników pomiarowych każdej fazy przetwarza się na postać cyfrową i dokonuje się pomiarów początkowych faz sygnałów i na ich podstawie określa się wartości kąta przesunięcia fazowego między sąsiednimi sygnałami każdej pary, a następnie dokonuje się porównania wartości kąta przesunięcia fazowego każdej pary sygnałów prądowych z sygnałem wzorcowym o zadanej wartości Z ustalonej wcześniej dla sprawnego urządzenia w rzeczywistych warunkach zasilania, po czym zlicza się następujące po sobie w kolejnych okresach przebiegu prądu przekroczenia zadanej wartości Z, przy czym jeżeli w kolejnym okresie nie wystąpiło przekroczenie to zliczanie rozpoczyna się od zera, natomiast kiedy przekroczenia zadanej wartości Z występują w następujących po sobie co najmniej K kolejnych okresach przebiegu prądu wyłącza się urządzenie.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że sygnały z przetworników pomiarowych każdej fazy, przed przetworzeniem na postać cyfrową ogranicza się w paśmie przepustowym o wartości od zera do wartości granicznej niższej od częstotliwości zakłóceń.

3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że wartość zadaną Z sygnału wzorcowego koryguje się podczas pracy urządzenia w zależności od zmiennej w czasie wartości częstotliwości zasilania urządzenia, dokonując pomiarów częstotliwości.

4. Sposób według zastrz. 1 albo 2 albo 3, znamienny tym, że ilość K przekroczeń zadanej wartości Z w następujących po sobie kolejnych okresach przebiegu prądu jest mniejsza lub równa dwudziestu przekroczeniom.

5. Sposób według jednego z zastrz. od 1 do 4, znamienny tym, że jako przetworniki pomiarowe w poszczególnych fazach toru prądowego stosuje się przetworniki prąd - napięcie.

6. Układ do zabezpieczenia trójfazowych urządzeń elektrycznych symetrycznie obciążonych przed skutkami zwarć pojedynczych zwojów uzwojeń, na podstawie analizy sygnałów z przetworników pomiarowych umieszczonych w poszczególnych fazach toru prądowego, znamienny tym, że każdy z pomiarowych przetworników (PP1, PP2, PP3) połączony jest z odpowiadającym mu analogowo-cyfrowym przetwornikiem (PAC1, PAC2, PAC3), przy czym wyjście analogowo-cyfrowego przetwornika (PAC1) pierwszej fazy jest połączone z wejściami pomiarowych bloków (BPL1L2, BPL3L1) sygnałów pomiarowych pierwszej i drugiej fazy oraz trzeciej i pierwszej fazy, wyjście analogowo-cyfrowego przetwornika (PAC2) drugiej fazy jest połączone z wejściami pomiarowych bloków (BPL1L2, BPL2L3) sygnałów pomiarowych pierwszej i drugiej fazy oraz drugiej i trzeciej fazy, a wyjście analogowo-cyfrowego przetwornika (PAC3) trzeciej fazy jest połączone z wejściami pomiarowych bloków (BPL2L3, BPL3L1) sygnałów pomiarowych drugiej i trzeciej fazy oraz trzeciej i pierwszej fazy, natomiast wyjścia każdego z pomiarowych bloków (BPL1L2, BPL2L3, BPL3L1) są połączone z odpowiadającymi wejściami cyfrowych komparatorów (KZ1, KZ2, KZ3) skalowanych sygnałem wzorcowym o zadanej wartości Z, a ponadto wejścia cyfrowych komparatorów (KZ1, KZ2, KZ3) są połączone z pamięcią (PZ) sygnału wzorcowego wartości zadanej, a wejścia cyfrowych komparatorów (KZ1, KZ2, KZ3) są połączone z wejściem licznika przekroczeń (LP), którego wejście jest połączone z przekaźnikiem (WU) inicjującym wyłączenie urządzenia.

7. Układ według zastrz. 6, znamienny tym, że każdy z pomiarowych przetworników (PP1, PP2, PP3), połączony jest z odpowiadającym mu analogowo-cyfrowym przetwornikiem (PAC1, PAC2, PAC3) poprzez dolnoprzepustowy filtr (F1, F2, F3).

8. Układ według zastrz. 6 albo 7, znamienny tym, że do wejścia pamięci (PZ) sygnału wzorcowego wartości zadanej przyłączony jest pomiarowy blok (BPC) częstotliwości zasilającej urządzenie.

9. Układ według zastrz. 6 albo 7 albo 8, znamienny tym, że jako pomiarowe przetworniki (PP1, PP2, PP3) ma przetworniki prąd - napięcie.